专利名称：高陡度镜面的离子束抛光方法
技术领域：
本发明涉及光学元件加工技术领域，尤其涉及一种高陡度镜面的离子束抛光方法。
背景技术：
随着现代科技的不断发展，特别是航空航天和武器系统性能的迅速提升，应用于 各种领域的光学系统对关键零部件的精度和外形结构的要求越来越高。此类关键光学零部 件通常具有高陡度的特性，能够减小系统的重量和体积，简化系统的结构，同时提升和优化 系统的综合性能。例如半球谐振陀螺仪中的半球谐振子、静电悬浮陀螺仪中的球体转子和 球碗、以及光刻机的光刻物镜等，众多精密仪器及装备的光学系统的核心部件都是采用高 精度、高陡度的光学零件。当今国际微光刻技术的发展趋势表明，物镜的数值孔径大于0. 60，大多为高陡度 离轴镜，其特征尺寸要求为0. 07 μ m 0. 25 μ m ；而新一代静电悬浮陀螺转子和球碗、以及 半球谐振子的加工精度要求提升到0. 1 μ m 0. 01 μ m量级，它们都为高陡度的球面或半球 面零件。传统工艺的加工精度、效率和加工的可重复性已经难以满足尖端装备和技术的批 量需求，成为制约其性能和发展的关键因素。离子束抛光是利用离子源发射的离子束轰击光学镜面时发生的物理溅射效应去 除光学元件表面的材料，是通过具有一定能量的粒子碰撞光学镜面传递动能来实现的，拥 有纳米量级的加工精度，是一种高确定性、高稳定性和非接触的加工技术。离子束抛光方法 克服了传统抛光加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负载等缺点，具有较高的加工收 敛率，通常都作为高精度光学零件加工的最后一道工序。由于离子束抛光技术相对复杂，并且成本相对较高，目前开展研究的单位和公司 相对较少。CN101261511A号中国专利文献公开了一种离子束抛光工艺中面形收敛精度的控 制方法，其具体介绍了通过对抛光加工过程中的驻留时间进行控制，可以实现离子束抛光 工艺中对面形收敛精度的控制。在《基于Bayesian原理的低陡度光学镜面面形误差离子束 修正驻留时间算法》(机械工程学报，2009，11 (45))—文中又提出了一种快速高效的面形控 制技术，其可实现低陡度镜面确定性精确修形。然而，由于上述所采用的加工方式的局限或者固有存在的一些技术难题使其难以 适用于高陡度光学零件的抛光加工。这主要是因为一股加工过程的材料去除量E (X，y)等 于去除函数R(x，y)与驻留时间T (x，y)的卷积，其离散方程可以表示成为e^ y) = HHR(yx y3 )Γ(χ, ‘ y3(1)
!=0 ；=0要根据上式(1)的矩阵方程精确求解驻留时间，需要首先确保测量得到的以二维 坐标表示的面形误差EtlU, y)能够真实反应镜面各点的位置信息和期望的材料去除量，测 量过程不能产生投影变形，并且加工过程中的去除函数需要保持一致性和稳定性；但对于 高陡度的光学镜面而言，误差值Etl(^y)所对应的坐标点是三维坐标(X，y，ζ)在χ-y坐标平面内的投影，其丢失了位置信息，产生了投影变形的问题，直接利用式(1)已经不能满足 高精度高陡度光学零件高效抛光加工的要求。目前，尚未有能有效解决高陡度镜面加工中所存在的上述技术问题的加工工艺。 为了提高对高陡度光学零件的加工精度，往往需要根据镜面曲面轮廓调节离子源的姿态， 驻留时间的控制和精确计算也较为困难，而且，通常需采用四轴以上的抛光系统对高陡度 光学零件进行加工，其加工难度大，加工成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种驻留时间计算简 单、稳定性好、加工精度高、可控性强、对设备要求低的高陡度镜面的离子束抛光方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种高陡度镜面的离子束抛光方 法，包括以下步骤(1)测算入射角取一具有高陡度镜面的待抛光工件，在垂直于工件光轴的平面 内建立X-Y直角坐标系，根据高陡度镜面的曲面方程Z =h(x，y)，测算镜面各点法线与垂 直入射离子束的夹角，即入射角θ ；(2)确定补偿系数分布根据模型 P(X，y) = (l/n)Yo(0)cos θ f(xcos θ，y)(在 尚未建立模型的情况下也可以直接根据相对材料去除速率的实验结果)，确定待抛光工件 各加工点相对应的补偿系数K，记为κ( θ)；(3)测定初始面形误差利用干涉法测定所述待抛光工件的初始面形误差Ε，记为 E(x, y)；(4)补偿初始面形误差根据步骤(2)中确定的补偿系数分布对所述初始面形误 差E进行补偿，得到补偿面形误差E' ,E' =Ε(χ,γ)/Κ^·(θ)；(5)获得去除函数通过去除函数实验获得离子束垂直入射相同材料镜面时的去 除函数R(x，y)；(6)确定驻留时间分布T 根据步骤(4)中确定的补偿面形误差E'和步骤(5)中 获得的去除函数R(x，y)，利用现有加工平面镜时的驻留时间算法确定出驻留时间分布T并 生成数控代码；(7)离子束抛光加工利用所述去除函数的发生装置和生成的驻留时间数控代码 对所述待抛光工件进行离子束抛光加工，加工过程中离子束沿平行于工件光轴方向垂直入 射镜面，通过所述去除函数发生装置的三轴联动系统(无需使用四轴以上的联动系统)对 镜面进行修形；(8)迭代抛光加工重复上述步骤(1) 步骤(7)的工艺过程，直至步骤(7)的修 形结果满足面形收敛精度的要求，加工结束。本发明提出的上述技术方案的基本原理是利用离子束抛光的材料去除特性首先 对高陡度镜面的面形误差进行补偿，依此改进计算机控制表面成形原理(CCOS)中驻留时 间的解算方法，使得离子束在不垂直入射光学镜面的条件下，使用线性三轴联动系统即可 实现对高陡度光学镜面的高精度确定性加工；而且，由于驻留时间的解算步骤与加工平面 镜时的求解方法基本相同，这使得本发明的加工方法及加工设备与现有技术具有很强的通 用性，大大减小了设备、软件等物质条件的改造成本和新增投入。
更具体地说，本发明技术方案利用的离子束抛光的材料去除特性是指以物理溅射 理论为基础，建立去除函数的理论模型，分析去除函数形状和去除速率随入射角θ的变化 规律，再利用实验手段对理论模型及变化规律的准确性和可靠性进行验证；然后根据验证 后的成果，把动态去除函数对驻留时间求解的影响因素引进现有的卷积公式中，依此改进 计算机控制表面成形原理中驻留时间的求解模型；由于驻留时间的求解模型得以改进和优 化，因此在离子束不垂直入射光学镜面的情况下，即加工过程中离子束始终沿平行于光轴 方向加工镜面的情况下，均可实现对高陡度镜面的抛光加工，而不需要在每个驻留加工点 都使离子束垂直入射光学镜面，这样就大大减了对数控抛光机床联动轴的要求，仅需线性 三轴联动系统(Χ-Υ-Ζ三个联动轴)即可，加工设备亦不需要使用旋转轴，进而降低了数控 抛光机床的成本，降低了对数控抛光机床的控制要求，与四轴以上的联动系统相比，其可靠 性也更高。由上述的基本原理可见，上述技术方案中对初始面形误差E进行补偿是指根据 材料去除特性随入射角θ的变化规律，利用该变化规律对干涉测量得到的初始面形误差E 进行补偿，以消除加工过程中离子束不垂直入射镜面和测量中的投影变形对确定驻留时间 分布所造成的不利影响，而该补偿过程实质上是对现有材料去除量离散的卷积公式进行改 进，对该卷积公式进行改进的理论基础如下1、如图1所示，先建立X-Y-Z坐标系，并使X-Y确立的直角坐标平面垂直于工件光 轴，这样待抛光工件的镜面方程可表示为ζ = h(x, y)，使具有高斯分布的离子束沿平行于 光轴方向入射镜面，当驻留在A' (Xijyi5Zi)点时，离子束对作用区域(即直径d所在的圆 域)内的任意点B' (x0, y0, z0)的单位时间材料去除量记为R0，其中θ为离子束在任意 点B'的入射角；然而在计算驻留时间时，驻留在A'相对应的投影点A(Xi，yi)的去除函数 R(x, y)对B'相对应的投影点B(X(I，y0)的材料去除量可记为Rtl ；因此，实际的去除量与理 论的去除量存在差异，需要对其去除速率进行补偿；由于离子束作用区域内的镜面和去除 函数在X-Y确立的直角坐标平面中的投影变形是相同的，所以无需进行面积的补偿，为了 便于研究去除函数R的特性，我们引进相对材料去除速率系数Ku，即Kij=^(2)
kO上式(2)中，R0=R0 (X0-Xi, Y0-Yi)，R0 = R0 (X0-Xi, Y0-Ji)；因此，去除函数R在各加工点B'的材料去除速率可以表示为R0 = R0Kij(3)将上式(3)代入式⑴中可以得到实际加工过程中的材料去除量，即(x，>0 = Σ ΣkVrOc y3 )τ(χ,，y3 )ΔχΔ>'(4)
!=0 ；=0由于式(4)的矩阵求解较为复杂，我们可以根据离子束的材料去除特性消除式 (4)中的系数Kij，以简化求解过程，并尽可能利用现有加工平面镜的方法、程序和设备。2、离子束抛光加工方法是利用离子溅射效应对光学镜面进行原子量级的材料去 除，已有相关研究在根据Sigmimd溅射理论基础上推导出任意表面在离子束倾斜入射光学 材料轰击下的刻蚀速率，并以其为基础建立去除函数的理论模型P (χ, y) = (1/n) Y0 ( θ ) cos θ f (xcos θ，y) (5)
式(5)中，f为束流密度，θ为入射角，Y^ θ)为倾斜入射平面镜时的溅射产额，η 为固体每单位体积内的原子能量。从式(5)中可以知道在工艺参数恒定的条件下，刻蚀速 率只是入射角θ单一变量的函数，且可以得到补偿系数 据此我们可以得到当离子束沿平行光轴方向加工镜面时，入射角θ只与加工点 B'的坐标有关，即对于某一确定的加工点B'而言，相对材料去除速率系数&“ θ )为定 值，并且与驻留点A'无关；那么，式(4)可以转化为 为了使实际加工过程中的材料去除量&“》与期望的材料去除量E (x，y)相同， 那么有 Ef(x，y) =E(x，y)，即￡ (x' y) = Y4Y4Rix-^^y- y3 )τ(χ,, y3 = e^ y)1 κη Ψ)(8)
!=0 ；=0其中，E' (x，y)为补偿后的面形误差。由式(8)可见，使用平行光轴方向加工镜面的方法，可以通过补偿面形误差的方 式消除动态去除函数对驻留时间的影响，而且利用补偿后的面形，仍然可以使用原来求解 加工平面时的程序步骤进行驻留时间的计算。为了验证上述理论基础的准确性和可靠性，我们进行了以下实验实验1是以六块石英小平面镜为对象，使其分别倾斜10° 60° (即θ =10°、 20°、30°、40°、50°、60° )，该平面镜的安装方式如图3所示，然后单点轰击获得不同入 射角的去除斑点。实验过程中，1200eV的束电压对着每一块平面镜加工了 3min，这样可以 通过加工得到的斑点如图4所示，利用加工前后小样镜的面形做差获得的去除函数如图5 所示，据此可以得到如图2所示的实验1的相对材料去除速率曲线(实验曲线)。而以去除 函数的理论模型为基础，在实验1确定的工艺参数的情况下，得到如图2所示的相对材料去 除速率的理论曲线(即由公式(5)确定的理论曲线)。可见，实验1是以间断入射角的去除 函数为基础的，由图2可见理论模型推导的理论曲线能够得到实验曲线的支持。实验2则可利用线扫描方法加工一凸球面镜(高陡度镜面)，加工时以恒定的靶距 沿过透镜的一条母线，勻速刻蚀得到材料去除量(参见图13)，并绘制得到如图6所示的连 续相对材料去除速率实验曲线，而以去除函数的理论模型为基础，在实验2确定的工艺参 数的情况下，得到如图6所示的连续相对材料去除速率的理论曲线。可见，实验2是以接近 连续的入射角的去除函数为基础的，由图6可见理论模型推导的理论曲线同样能够得到实 验曲线的支持。综合以上实验1和实验2可以知道，理论分析得到的相对峰值去除速率曲线与 实验值相吻合，因此在加工不同口径和曲率半径的高陡度光学零件时，无需每次进行实验 获得相应的去除速率曲线，直接使用上述理论建模获得的理论曲线同样具有可行性和实用 性，减少了工作量，提高了效率。与现有技术相比，本发明的优点在于1、本发明提出了一种基于面形误差补偿的高陡度镜面的离子束抛光方法，通过引 入面形误差的补偿系数，并采用先补偿面形误差，在补偿后的面形误差基础上再确定驻留 时间的分布，最后进行后续的离子束抛光加工，其有效实现了高陡度镜面离子束确定性抛
6光，解决了高陡度光学零件抛光中存在的难题。2、本发明的离子束抛光方法中，离子束入射方向始终平行于工件的光轴方向，在 对工件的镜面进行加工时，只需线性三轴联动离子束抛光系统就可实现对高陡度镜面的抛 光加工，与现有四轴以上的抛光系统相比，其操作控制更为简单，对加工设备的要求更低， 加工设备的成本投入减小，同时能提高离子束抛光系统的可控性和可靠性；3、本发明的高陡度镜面的离子束抛光方法通过对面形误差进行补偿，大大优化了 后续驻留时间分布的确定和离子束抛光的数控操作，这使得现有高陡度镜面的离子束抛光 加工的工艺步骤、操作程序大大简化，使得平面镜离子束抛光工艺的通用性大大增强，这为 今后复杂光学工件的加工奠定了良好的基础，也大大节约人力和财力资源，降低了工艺成 本。
图1为离子束平行于光轴方向入射加工时的理论分析示意图。图2为间断入射角实验条件下验证本发明原理中相对峰值去除速率理论曲线可 行性的参考图。图3为间断入射角实验中实验样镜安装方式示意图。图4为间断入射角实验加工后得到的去除斑点图。图5为间断入射角实验加工后不同入射角下的去除函数分布图。图6为连续入射角实验条件下验证本发明原理中相对峰值去除速率理论曲线可 行性的参考图。图7为本发明实施例中各加工点的补偿系数分布图。图8为本发明实施例中测得的待加工高陡度镜面的初始面形图。图9为本发明实施例中待加工高陡度镜面补偿后的补偿面形图。图10是本发明实施例中迭代抛光加工后的工件的面形图。图11为本发明实施例中的去除函数的分布图。图12为本发明实施例中的驻留时间的分布图。图13为连续入射角实验条件下的材料去除量分布图。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例一种本发明的高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤(1)测量入射角取一具有高陡度镜面的待抛光工件，该待抛光工件为一顶点曲 率半径为16mm、口径为21. 3mm的凸球面镜，最大入射角为41. V，其f数值为0. 75，在垂直 于工件光轴的平面内建立X-Y直角坐标系，根据高陡度镜面的曲面方程ζ =h(x，y)，测算 出镜面各加工点法线与垂直入射离子束的夹角，即入射角θ ；(2)确定补偿系数分布根据模型P (X，y) = (1/n) Y。( θ ) cos θ f (xcos θ，y)确定 待抛光工件各加工点的补偿系数为K，记为κ( θ)，各加工点的补偿系数K ( θ )值的分布如 图 7 所示(κ(θ) =Y0(O)cos θ/Y0(O))；
(3)测定初始面形误差利用干涉法测定本实施例的待抛光工件的初始面形误差 E，记为E(x，y)，该待抛光工件的面形图如图8所示；(4)补偿初始面形误差根据步骤(2)中确定的补偿系数分布对初始面形误差E 进行补偿，得到补偿面形误差E'，其补偿后的面形图如图9所示；(5)获得去除函数通过去除函数实验获得本实施例选用的离子束垂直入射待抛 光工件镜面时的去除函数R，该去除函数R的分布图如图11所示；(6)确定驻留时间分布T 根据步骤(4)中确定的补偿面形误差E'和步骤(5)中 获得的去除函数R，利用现有加工平面镜时的驻留时间计算方法确定出驻留时间分布T并 生成数控代码；该驻留时间的分布图如图12所示；(7)离子束抛光加工利用所述去除函数发生装置和生成的驻留时间数控代码对 待抛光工件进行离子束抛光加工，加工过程中离子束沿平行于工件光轴方向垂直入射镜 面，通过所述去除函数发生装置的三轴联动系统(无需使用四轴以上的联动系统)对镜面 进行修形；(8)迭代抛光加工重复上述步骤(1) 步骤(7)的工艺过程两次，直至步骤(7) 的修形结果满足面形收敛精度的要求加工结束。本实施例修形加工完成后，工件的面形图 如图10所示。本实施例中，两次加工总共用时只有9min，但是总的收敛率却达到了 2. 24。在较 短的时间内，实现了高陡度镜面的高精度加工，有效地去除了误差高点，面形精度得到了改 善，收敛效果较明显。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不限于上述实施例。
权利要求
一种高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤(1)测算入射角取一具有高陡度镜面的待抛光工件，在垂直于工件光轴的平面内建立X Y直角坐标系，根据高陡度镜面的曲面方程z＝h(x，y)，测算镜面各点法线与垂直入射离子束的夹角，即入射角θ；(2)确定补偿系数分布根据模型P(x，y)＝(1/n)Y0(θ)cosθf(xcosθ，y)，确定待抛光工件各加工点相对应的补偿系数K，记为K(θ)；(3)测定初始面形误差利用干涉法测定所述待抛光工件的初始面形误差E，记为E(x，y)；(4)补偿初始面形误差根据步骤(2)中确定的补偿系数分布对所述初始面形误差E进行补偿，得到补偿面形误差E′，E′＝E(x，y)/Kij(θ)；(5)获得去除函数通过去除函数实验获得离子束垂直入射相同材料镜面时的去除函数R(x，y)；(6)确定驻留时间分布T根据步骤(4)中确定的补偿面形误差E′和步骤(5)中获得的去除函数R(x，y)，利用现有加工平面镜时的驻留时间算法确定出驻留时间分布T并生成数控代码；(7)离子束抛光加工利用所述去除函数的发生装置和生成的驻留时间数控代码对所述待抛光工件进行离子束抛光加工，加工过程中离子束沿平行于工件光轴方向垂直入射镜面，通过所述去除函数发生装置的三轴联动系统对镜面进行修形；(8)迭代抛光加工重复上述步骤(1)～步骤(7)的工艺过程，直至步骤(7)的修形结果满足面形收敛精度的要求，加工结束。
全文摘要
本发明公开了一种高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤(1)测算镜面各点的入射角θ；(2)根据模型确定各点的补偿系数K；(3)利用干涉法测定工件的初始面形误差E；(4)根据K对E进行补偿得到补偿面形误差E′；(5)通过去除函数实验获得离子束垂直入射镜面时的去除函数R；(6)根据E′和R确定出驻留时间分布T并生成数控代码；(7)利用去除函数的发生装置和生成的数控代码进行加工，加工时离子束沿平行于工件光轴方向入射镜面，通过三轴联动系统对镜面进行修形；(8)重复前述步骤直至修形结果满足面形收敛精度的要求。本发明方法在加工高陡度镜面时具有操作简单、稳定性好、加工精度高、可控性强、对设备要求低等优点。
文档编号B24B13/00GK101898324SQ20101023912
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者周林, 廖文林, 戴一帆, 解旭辉, 郑子文, 陈善勇 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学